关于颜色损伤对视觉感知图像质量影响的分析

关于颜色损伤对视觉感知图像质量影响的分析

随着多媒体技术和互联网的迅速发展，人们接触到越来越多的图像信息，为了方便图像的存储和传输，各类图像压缩技术应运而生，而由此带来的图像损伤也是不容忽视的。如何评价图像的损伤，是一个重要的研究课题。本次实验选择了不同纹理、不同颜色的测试图像，利用JPEG程序对原始图像进行了压缩倍数为3、5、10、15不同程度的压缩，分别进行亮度图像和彩色图像的主观评价实验，并做出了主观评价实验报告。

标签：人眼视觉特性；JPEG；主观评价

1 课题研究的背景和意义

图像是人类感知和机器模式识别的重要信息源，其质量对所获取信息的准确性起着决定性的作用。随着信息化社会的到来以及信息高速公路的实施，各行各业对图像的使用越来越广泛，人们对图像质量的需求也越来越高。经过压缩的图像虽然为图像的存储和传输带来了极大的方便，但图像质量有时却不尽如人意，对于彩色图像而言，压缩后图像的颜色损伤是普遍存在的，但人眼对不同颜色的灵敏度不同，因此不同颜色的损伤对图像质量的影响也各不相同。

颜色损伤对视觉感知图像质量的影响研究对数字电视、多媒体数据库、电子图书馆、卫星遥感图像等方面提供了有力的支持。目前针对图像质量评价的算法，国内外的一些知名高校和科研机构，如复旦大学、中国空间技术研究院、VQEG （国际电信联盟的视频质量专家小组）、美国Sarnoff公司等，都对其进行了长期深入的研究。

图像质量评价的主体是人，因此人眼视觉特性（HSV）对评价算法的研究具有重要意义。但是，对人眼视觉特性的研究涉及生理、心理等方面，特别是对视觉的心理特性业界迄今仍难以找出定量的描述方法，所以目前还没有一套全面的、统一的图像质量评价体系。

图像质量评价的方法有两种：①主观评价方法：设计实验，由观测者对图像质量进行评价；②客观评价方法：采用算法对图像质量进行评价。其中主观评价方法天然地和人的主观感受相符，但它费时、复杂，还会受到观测者专业背景、心理和动机等主观因素的影响，并且不能结合到其他算法中使用；客观评价方法方便、快捷，容易实现并能结合到应用系统中，但它和人的主观感受有出入。通常提到的图像质量评价算法是指客观评价算法，其目标是获得与主观评价结果相一致的客观评价值。

2 人眼视觉特性

由于压缩后的图像最终是供大众欣赏和使用的，所以在设定图像压缩的有关参数时都需根据人眼的视觉特性来选择，以使得压缩后的图像质量能满足人眼的

要求。人眼视觉特性大致包括视敏特性、亮度感觉特性、视觉分辨力特性和彩色感觉特性等[1]。

2.1 视敏特性

人眼所能感觉的光（可见光）是波长范围为380～780mm的电磁波。实验证明，对于不同颜色的光，人眼不仅有不同的颜色感觉，而且有不同的灵敏度，即对于辐射功率相同而波长不同的光有不同的光亮感觉，人眼的这一特性称为视敏特性。研究表明：在明亮环境中，人眼对波长为555nm的黄绿光有最大的敏感度；在黑暗环境中，人眼对波长为507nm的青绿光有最大的敏感度。

2.2 亮度感觉特性

人眼的亮度感觉是一个主观量，它不仅取决于景物给出的亮度值，而且还与周围环境的平均亮度，即人眼的适应性有关。在平均亮度适中时，人眼能同时感觉的亮度上、下限之比最大可接近1000：1，而平均亮度过高或过低时只有10：1。

2.3 人眼的分辨力

人眼分辨图像细节的能力称为人眼的分辨力或视觉锐度。分辨力除因人而异外，还与景物的照度、景物的对比度等因素有关。当照度太低时，分辨力就大为降低，且分辨不出颜色。相反，当照度太高时，分辨力也不会再增加，甚至由于“眩目”现象而降低。景物细节的对比度低，分辨力也要降低。除此之外，分辨力还与景物的运动速度有关，运动速度快，分辨力将降低。

2.4 人眼的颜色感觉特性

为确切表示某一颜色光，必须有三个独立的参量：亮度（亦称明度）、色调和饱和度（亦称纯度），它们称为彩色的三要素。

2.4.1 亮度

亮度表征色光对人眼刺激程度的强弱，即引起明亮感觉的程度，它与进入人眼色光的光能有关。对于发光物体（光源），发光强度越高，人眼感到越亮；而对于非发光物体，其亮度取决于反射（或透射）的光能大小，照射光源的光能越大，物体表面对光的反射率越高，物体的亮度就越高。

2.4.2 色调

色调表征彩色之间的差异性，反映颜色的类别。理论上讲，在可见光谱中不同波长的光有不同的色调，即应有无数种色调与波长相对应。但实际上对波长很接近的谱色光，人眼并不能区别开它们的色调。从总体上看，在可见光的波长范围内，人眼大体能分辨出200来种不同的色调。当颜色太淡或亮度太大及太小时，

人眼对色调的分辨力也会下降。

2.4.3 饱和度

饱和度是指彩色光所呈现彩色的深浅程度（或浓度），即某色调的浓淡、深浅程度或掺白程度，以百分比（%）表示。对于同一色调的彩色光，饱和度越高，说明它的颜色越深；饱和度越低，说明它呈现的颜色越浅。

3 主观评价

主观评价是直接利用观察者对被测系统质量的主观反映，来确定系统性能的一种方法。国外的一篇论文[2]在这一方面进行了首次探索，呈现了一个颜色损伤对视觉感知高分辨率静止图像质量影响的主观研究。本次主观评价实验严格按照主观实验评价标准进行，请若干名实验员在主观评价实验室中进行实验，分别进行彩色图像和黑白图像的主观评价，为原始图像和不同压缩倍数的压缩图像进行打分。将实验所得数据进行分析整理，得出相关结论。

3.1 主观评价设计方案

3.1.1 测试依据ITU-R BT.500-11[3] METHODOLOGY FOR THE SUBJECTIVE ASSESSMENT OF THE QUALITY OF TELEVISION PICTURES GY/T 134-1998[4]数字电视图像质量主观评价方法

3.1.2 评价用测试图像序列（见表1）

3.1.3 评价方法

测试分为彩色和黑白两个部分，每个部分有七组图像，每组有6张，为同一内容的2张原始图像和4张压缩图像，每组的第1张为已知的原始图像，其余5张是随机排列的压缩图像和原始图像，测试人员为这5张图像打分，主观评价经JPEG压缩后的图像质量相对于原图像的质量损伤情况。满分为100分。评分规则为：

与原图无可察觉的差别，定为100—80分；

与原图有刚可察觉的差别，不讨厌，定为80—60分；

与原图有差别，稍有讨厌，定为60—40分；

与原图有明显差别，讨厌，定为40—20分；

与原图有明显差别，非常讨厌，定为20—0分。